操作系统原理与实例分析

引言 课程特点：概念多、原理性强、较抽象 课程学习目的:基础核心课、有利于对计算机系统的理解和软件开发 课程学习方法:以问题驱动学习、理论联系实际 课程学习难点:概念、原理、算法、数据结构 教师姓名：蒲晓蓉 E-mail : puxiaor@uestc.edu.cn 1 参考书籍 Operating System Internals and Design principles, William Stallings , TsingHua University Press Applied Operating System Concepts , Abraham Silberschatz etc. , Higher Education Press 计算机操作系统，汤子瀛 etc.,西安电子科技大学出版社（第3版）

2 课程内容安排 第一章操作系统概述 第二章进程管理 第三章存储管理 第四章外部设备管理 第五章文件管理 3

第一章 操作系统概述 4 本章要点 计算机系统结构：了解操作系统的地位 什么是操作系统：四种基本观点 现代操作系统的特征、功能、类型 基本概念：批处理、多道程序设计、作业、任务、进程与线程、接口、虚拟存储、文件 5 1.1 计算机系统资源 6 计算机系统资源分类 软件：系统软件（操作系统及实用程序）、应用软件

硬件：处理机（CPU）、内存（条）、外部I/O设备（显示器、键盘、鼠标、打印机、磁盘、磁带、扫描仪„），以及系统总线 7 图1.1 计算机系统结构 应用软件 操作系统 计算机硬件 系统软件 终端用户 程序员 操作系统 设计者 8 1.2 什么是操作系统 9 关于现代操作系统的四种基本观点 从外部看操作系统 - 计算机用户的观点：用户环境观点 - 应用程序员的观点：虚拟机器观点 从内部看操作系统 - OS开发者观点之一：资源管理观点 - OS开发者观点之二：作业组织观点 10 关于现代OS的四种基本观点之一 --用户环境观点 该观点认为，操作系统是计算机用户使用计算机系统的接口，它为计算机用户提供了方便的工作环境。 计算机用户：终端用户、程序员和系统设计者 操作系统提供的接口 - 用户接口（User Interface，也称为命令接口） - 程序接口（系统调用，也称为应用编程接口, Application Programming Interface，简称API） 11 用户接口 (用户)命令：指计算机用户要求计算机系统为其工作的指示。

字符形式：较灵活但因繁琐而难记 命令的表示形式：菜单形式 图形形式：因直观而易记但不灵活

脱机使用方式（off-line） 命令的使用方式： 联机使用方式(on-line) 12 关于现代OS的四种基本观点之二 --虚拟机器观点 该观点认为，操作系统是建立在计算机硬件平台上的虚拟机器，它为应用软件提供了许多比计算机硬件功能更强或计算机硬件所没有的功能。 操作系统在虚拟机中充当管理员和协调员的角色,管理计算机的软硬件资源,并协调多任务、多进程的运行。 扩充：功能、计算机数量 13 关于现代OS的四种基本观点之三 --资源管理观点 该观点认为，操作系统是计算机系统中各类资源的管理者，它负责分配、回收以及控制系统中的各种软硬件资源。 跟踪资源的使用状况、满足资源请求、提高资源利用率,以及协调各程序和用户对资源的使用冲突。 - 监视资源 - 分配/回收资源 - 保护资源 14 关于现代OS的四种基本观点之四 --作业组织观点 该观点认为，操作系统是计算机系统工作流程的组织者，它负责协调在系统中运行的各个应用软件的运行次序。 用于巨型机和大型服务器上，以批文件方式提交作业，请求主机逐个运行。 主机操作系统负责组织、协调各个作业的运行，报告执行结果或错误信息。 减少了人工干预，提高了系统的效率。这种工作方式有利于有效利用造价高且性能强大的主机资源。

15 操作系统的定义 操作系统是计算机系统中的一个系统软件,管理和控制计算机系统中的硬件和软件资源,合理地组织计算机的工作流程,以便有效利用这些资源为用户提供一个功能强、使用方便的工作环境,从而在计算机与用户之间起到接口的作用。

16 1.3 操作系统的形成与发展 17 操作系统的简历 50年代中期，第一个简单批处理操作系统 60年代中期，多道程序批处理系统 不久，分时系统、实时系统 80年代，微机及网络操作系统 18 什么推动着操作系统的发展 计算机硬件升级和新硬件的出现 提供新的服务，方便使用 提高计算机资源利用效率 更正软件错误 计算机体系结构的发展：单处理机系统、多处理机系统、分布式系统、计算机网络 19 手工操作时期，没有操作系统 早期的电子数字计算机是由成千上万个电子管组成 操作和编程完全由手工进行,且编程只能用机器语言(二进制代码) 程序员同时也是操作员在上机期间独占整台计算机及其它相关设备，效率非常低 20 单道批处理系统，早期操作系统 程序员首先将命令、程序和数据用汇编语言或FORTRAN语言写在纸上,然后用穿孔机制成卡片,最后将这些卡片交给操作员

21 批处理程序(又称为监督程序，或管理程序),管理应用程序的运行。 操作步骤： 1.收集一批作业(卡),用专用I/O计算机将作业逐个读到磁带上保存起来。 2.批处理程序将磁带上的第一个作业读入计算机，运算结束后将结果输出到输出磁带上。 3.自动读入下一个作业,并运行。 4.当一批作业全部执行结束后,取下输入磁带和输出磁带,用输入磁带录入下一批作业,将输出磁带送到专用输出计算机,进行脱机打印。

22 单道批处理系统:评价 解决了作业间的自动转接问题,减少了机器时间的浪费。 不管作业大小,只要它一旦占用处理机开始执行,则它必须一直占据处理机,直到运行完毕。 资源利用率低。 对短作业不公平,因为它们等待执行的时间可能远远超过它们实际执行的时间。 交互性差。作业由批处理程序控制运行,用户无法实时控制,如果运行中途出现故障,也只能停下来,重新运行。 23 多道批处理系统 现代意义的操作系统 引入： 单道批处理系统中，任意时刻只允许一道作业在内存中运行，资源利用率低。 为了提高系统资源利用率和系统吞吐量，形成了多道批处理系统 24 多道批处理系统 多道是指，允许多个程序同时存在于主存中，按照某种原则分派处理机，逐个执行这些程序。

批处理：用户提交的作业首先存放在外存，并排成一个队列。然后，由作业调度程序按照一定的算法从该队列中一次选取一个或若干个作业装入内存执行。 25 处理机自动切换 当某个程序占用处理机执行过程中遇到了输入/输出语句，可以启动专门负责输入/输出的系统服务程序完成输入/输出操作，而处理机切换到另一个程序执行 26 时间 运行 运行 程序A 等待 等待 运行 等待 等待 程序D 运行 等待 等待 程序C 运行 运行 等待 等待 等待 程序B 从处理机看 运行 A 运行 B 运行 C 运行 D 等待 运行 A 运行 B 等待 图1.3 多道程序设计示例

27 多道程序设计技术 为了提高系统吞吐量和资源利用率，允许多个程序同时驻留内存，使处理机在这些程序之间切换，在一段时间内，执行完多个程序的处理技术称为多道程序设计技术（multiprogramming）。 现代操作系统大多都采用了多道程序设计技术。

28 多道程序设计技术引发的问题 处理机的分配与回收 内存的分配与保护 I/O设备的共享与效率 文件的有效管理 作业的组织 29 分时系统与实时系统 多道批处理系统：提高了资源利用率和吞吐量。但是，批处理系统交互性很差。 为了改进响应时间和性能,提供交互式操作环境,导致了分时系统的出现。 分时系统的实质是，在多道程序技术的基础之上,为多个用户配置一个联机终端 30 分时系统—联机系统 服务器 31 分时系统实例 第一个分时系统：MIT的兼容分时系统CTSS 它是一个单道分时系统。在该系统中，每次只能将一道程序（作业）装入并驻留内存。 时间片 为了减少磁盘I/O，只将新装入的程序需要覆盖的那部分用户数据写出到磁盘。 假设有4个交互用户，其存储需求如下：JOB1(15000)，JOB2(20000)，JOB3(5000)，JOB4(10000) 内存的0-5000区域被监控程序占用 32 监控程序

JOB1

空闲 0 5000 20 000 32 000 (a)